鉆井用液動(dòng)沖擊器技術(shù)研究進(jìn)展及應(yīng)用對(duì)比

賈 濤，徐丙貴，李 梅，王敦威，王海燕

（1.中國(guó)石油集團(tuán) 鉆井工程技術(shù)研究院，北京100195；2.中國(guó)石油集團(tuán) 渤海鉆探工程有限公司，天津300457；3.中國(guó)石油長(zhǎng)城鉆探工程有限公司 物資公司，天津300457）①

隨著油氣鉆井深度的不斷增加，鉆井的難度和成本成倍增長(zhǎng)，硬地層鉆進(jìn)的難題日益突出，如何提高鉆頭在硬地層的鉆井速度已迫在眉睫。利用液動(dòng)沖擊器提高鉆井速度已經(jīng)有上百年的歷史，該類工具是在常規(guī)旋轉(zhuǎn)鉆井的基礎(chǔ)上，通過(guò)將鉆井液的能量轉(zhuǎn)化為沖擊力直接施加給鉆頭，使鉆頭靠旋轉(zhuǎn)和沖擊共同作用破碎巖石，提高了鉆井效率［1－4］。另外，液動(dòng)沖擊器對(duì)鉆頭產(chǎn)生的周期性高頻沖擊，可以大幅度減少或消除PDC鉆頭的粘滑振動(dòng)，在提高機(jī)械鉆速的同時(shí)，能夠保護(hù)鉆頭，延長(zhǎng)鉆頭壽命，減少起下鉆次數(shù)，有效降低了鉆井成本。

液動(dòng)沖擊器種類繁多，按照沖擊力的方向可分為軸向沖擊器和扭力沖擊器。20世紀(jì)初，俄國(guó)工程師B·沃爾斯基設(shè)計(jì)出石油鉆井用液動(dòng)沖擊鉆具，隨后美、德、挪威等國(guó)廣泛開(kāi)展了此項(xiàng)技術(shù)的研究，并在油氣勘探開(kāi)發(fā)中應(yīng)用。我國(guó)從1958年開(kāi)始對(duì)液動(dòng)沖擊鉆井技術(shù)進(jìn)行研究，有很多新型的沖擊器問(wèn)世并得到推廣應(yīng)用。例如，石油大學(xué)、西南石油大學(xué)、國(guó)土資源勘探技術(shù)研究所、德州石油鉆井研究所等單位均進(jìn)行過(guò)液動(dòng)沖擊鉆井的相關(guān)研究，有的還進(jìn)行了鉆井試驗(yàn)。盡管液動(dòng)沖擊鉆井技術(shù)具有提高硬巖破巖效果、提高鉆井速度、改善鉆井工藝參數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，但是工具壽命短、單次沖擊功偏低、鉆井深度較淺，應(yīng)用效果不夠理想［5］。這也是該技術(shù)至今未被廣泛應(yīng)用的原因。

2000年之前，液動(dòng)沖擊鉆井使用的液動(dòng)沖擊器均為軸向沖擊器。2000年以來(lái)，相關(guān)研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展了扭力沖擊鉆井技術(shù)的研究，并進(jìn)行了應(yīng)用，其主要工具為扭力沖擊器。由于其提高鉆速效果顯著，已受到國(guó)內(nèi)外鉆井專家的密切關(guān)注。該工具的出現(xiàn)，使液動(dòng)沖擊鉆井技術(shù)再次成為關(guān)注的焦點(diǎn)。

1 軸向沖擊器

按照其結(jié)構(gòu)及工作原理的不同，軸向沖擊器又可分為閥式正作用沖擊器、閥式反作用沖擊器、閥式雙作用沖擊器、射流式?jīng)_擊器等。液動(dòng)沖擊器使用方便，串接于井下鉆具組合近鉆頭位置即可實(shí)現(xiàn)液動(dòng)沖擊鉆井。

1.1 研究情況

20世紀(jì)40年代以來(lái)，前蘇聯(lián)、美國(guó)、德國(guó)等國(guó)的相關(guān)研究單位均進(jìn)行了軸向沖擊器的研制。其中，美國(guó)Smith tool公司、Andergauge公司、Sperry鉆井服務(wù)公司等都進(jìn)行了各類閥式?jīng)_擊器的研制，具有較先進(jìn)的水平。圖1為Andergauge公司研發(fā)的液動(dòng)沖擊器結(jié)構(gòu)［6］。

圖1 Andergauge公司液動(dòng)沖擊器結(jié)構(gòu)

20世紀(jì)60年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)的多家單位開(kāi)展了各種類型液動(dòng)沖擊器的研制，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。圖2是由長(zhǎng)春科技大學(xué)研制的YSC－178型液動(dòng)射流式?jīng)_擊器，依靠雙穩(wěn)的射流元件控制活塞沖錘的上下運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)部件少，除活塞沖錘外無(wú)其他運(yùn)動(dòng)零件，因而工作壽命長(zhǎng)。該沖擊器進(jìn)行了3輪現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，比普通牙輪鉆頭鉆進(jìn)效率［7］提高161%。

圖2 YSC－178型液動(dòng)射流式?jīng)_擊器結(jié)構(gòu)

1.2 特點(diǎn)

在鉆井過(guò)程中，軸向沖擊器將鉆井液的能量轉(zhuǎn)化為高頻的軸向沖擊力，在鉆頭上形成高頻脈沖鉆壓。試驗(yàn)證明：軸向沖擊器較普通旋轉(zhuǎn)鉆井可提高鉆井速度30%以上，可以在較低的鉆壓下取得較好的使用效果，避免鉆井過(guò)程中由于大鉆壓產(chǎn)生的井斜和鉆柱磨損及疲勞損壞。軸向沖擊器在產(chǎn)生高頻沖擊力的同時(shí)，可以形成高壓脈沖射流，增強(qiáng)鉆井液沖洗井底的能力。此外，鉆井液壓力的脈沖變化，導(dǎo)致了井底壓力周期性發(fā)生變化，改善了井底巖石的應(yīng)力狀態(tài)，有利于消除巖屑?jí)撼中?yīng)，增強(qiáng)了水力輔助破巖效果。

2 扭力沖擊器

在硬地層鉆井過(guò)程中，PDC鉆頭發(fā)生著無(wú)序的振動(dòng)，包括橫向、縱向和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。這些有害振動(dòng)不僅會(huì)損害PDC鉆頭切屑齒，降低鉆頭壽命，還造成井眼不規(guī)則，降低井身質(zhì)量。扭力沖擊鉆井是一項(xiàng)新興的鉆井技術(shù)，主要依靠扭力沖擊器配合PDC鉆頭來(lái)實(shí)現(xiàn)。鉆井過(guò)程中，扭力沖擊器連接在鉆頭上方，該工具可以將鉆井液的能量轉(zhuǎn)化為低幅、高頻脈沖扭矩，該扭矩與鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)扭矩同時(shí)傳遞給鉆頭。二者共同作用，不僅可以顯著提高鉆井速度，而且可以有效減少或消除硬地層鉆井過(guò)程中鉆頭的有害振動(dòng)，保護(hù)鉆頭，延長(zhǎng)鉆頭壽命。扭力沖擊鉆井改變了PDC鉆頭傳統(tǒng)的破巖方式，使PDC鉆頭不再單純依靠剪切破巖，而是以沖擊和剪切共同作用破碎巖石，從而有效提高機(jī)械鉆速。

相對(duì)于軸向沖擊器，扭力沖擊器出現(xiàn)的時(shí)間要晚，但是其使用效果卻遠(yuǎn)勝前者，提高鉆井速度可達(dá)150%以上。

2.1 液壓式扭力沖擊器

2000年，加拿大的Ulterra公司首先提出了扭力沖擊鉆井的構(gòu)想，成功研制了液壓式和渦輪式扭力沖擊器，命名為torkbuster，并于近幾年進(jìn)行了商業(yè)化應(yīng)用。圖3為液壓式torkbuster工作原理圖。圖4為液壓式扭力沖擊器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。該工具通過(guò)變流量噴嘴產(chǎn)生壓降，從而在工具內(nèi)部形成了高壓區(qū)和低壓區(qū)。在壓差的作用下，通過(guò)工具內(nèi)部的流道切換，撞擊錘與啟動(dòng)錘形成高速反轉(zhuǎn)，撞擊錘不斷撞擊沖擊面，沖擊面又將沖擊力傳遞給鉆頭，形成高頻的脈沖扭矩。該類型扭力沖擊工具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，部件較少，可靠性高，適應(yīng)性較好。

圖3 液壓式扭力沖擊器工作原理及結(jié)構(gòu)

扭力沖擊器（torkbuster）主要技術(shù)參數(shù)如表1所示，圖5為扭力沖擊器（torkbuster）外觀。

圖4 液壓式扭力沖擊器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

表1 扭力沖擊器（torkbuster）主要技術(shù)參數(shù)

圖5 扭力沖擊器（torkbuster）

2.2 渦輪式扭力沖擊器

圖6為渦輪式扭力沖擊器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。鉆井時(shí)，鉆井液經(jīng)過(guò)過(guò)濾分流系統(tǒng)后，通過(guò)上部和下部渦輪動(dòng)力系統(tǒng)帶動(dòng)非平衡配重系統(tǒng)高速旋轉(zhuǎn)。中心傳動(dòng)軸將動(dòng)力系統(tǒng)和非平衡配重系統(tǒng)的高速旋轉(zhuǎn)傳遞給沖擊系統(tǒng)，沖擊系統(tǒng)將穩(wěn)態(tài)的高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為高頻的脈沖沖擊，與穩(wěn)態(tài)的鉆具扭矩共同作用于鉆頭，實(shí)現(xiàn)扭力沖擊鉆井。非平衡配重系統(tǒng)的作用是在渦輪轉(zhuǎn)速相同的情況下，可以通過(guò)改變其自身重力實(shí)現(xiàn)不同的沖擊力。與液壓式扭力沖擊器相比，渦輪式扭力沖擊器結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，其壽命受渦輪壽命的制約，對(duì)鉆井液性能的要求更高。

圖6 渦輪式扭力沖擊器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.3 國(guó)內(nèi)研究情況

西南石油大學(xué)和勝利石油管理局鉆井工藝研究院也分別進(jìn)行了扭力沖擊工具的研制。西南石油大學(xué)研制的扭沖工具依靠渦輪和棘輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)扭沖工具內(nèi)部的傳動(dòng)軸將渦輪的轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞給棘輪機(jī)構(gòu)，棘輪機(jī)構(gòu)的撞擊砧塊不斷地撞擊承撞砧塊，從而形成了脈沖扭矩［8］。勝利石油管理局鉆井工藝研究院研制了SLTIT型扭沖工具，該工具通過(guò)節(jié)流和內(nèi)部的流道轉(zhuǎn)換，使工具的撞擊錘和啟動(dòng)錘持續(xù)高速反轉(zhuǎn)，形成高頻沖擊［9］。

3 扭力沖擊器應(yīng)用情況

目前，中石油玉門油田、塔里木油田，中石化川東北元壩地區(qū)、塔河油田等多個(gè)油田試驗(yàn)使用torkbuster扭力沖擊器，配合個(gè)性化PDC鉆頭一起使用，取得了良好的效果。

3.1 在祁參1井應(yīng)用

祁參1井是中石油集團(tuán)公司的重點(diǎn)探井，也是目前世界海拔最高的油氣探井。該井在鉆至3 400 m后難以提高鉆井速度，地質(zhì)資料不全、巖層反復(fù)夾層多、鉆頭選型困難、參數(shù)無(wú)法強(qiáng)化都成為提高鉆井速度的瓶頸問(wèn)題。為提高機(jī)械鉆速，該井在3 458.5～3 678.5m井段試驗(yàn)使用torkbuster扭力沖擊器，提速效果顯著。與之前常規(guī)技術(shù)相比，在同樣地層下平均鉆速提高了2.72倍。表2為祁參1井各井段使用常規(guī)鉆具組合和鉆頭與使用torkbuster＋PDC鉆頭的效果對(duì)比情況。

表2 祁參1井各井段鉆井參數(shù)對(duì)比

3.2 在新墾8－H井應(yīng)用

中石油塔里木油田哈拉哈塘區(qū)塊引進(jìn)該技術(shù)后提高鉆井速度尤為明顯。該區(qū)塊5 400m鉆井段的鉆井周期僅為30d，而下部井段由于巖石研磨性強(qiáng)、可鉆性差，常規(guī)螺桿加PDC鉆頭提速方式不再適用，平均機(jī)械鉆速＜2m／h，耗時(shí)50～70d。該技術(shù)在新墾8－H井共使用114.9h，完成進(jìn)尺559m，平均機(jī)械鉆速4.87m／h，比鄰井提高50%以上。表3為新墾8－H井與鄰井同井段的鉆井?dāng)?shù)據(jù)對(duì)比。

表3 新墾8－H井與鄰井同井段鉆井?dāng)?shù)據(jù)對(duì)比

經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的對(duì)比分析，扭力沖擊鉆井效果遠(yuǎn)優(yōu)于常規(guī)鉆具組合鉆井，其根本原因在于：扭力沖擊鉆井改變了傳統(tǒng)意義上PDC鉆頭高轉(zhuǎn)速、低鉆壓的使用方式，使PDC鉆頭實(shí)現(xiàn)了高轉(zhuǎn)速、高鉆壓正常鉆井，突破了傳統(tǒng)PDC鉆頭的使用極限。相對(duì)于常規(guī)情況下PDC鉆頭在硬地層鉆井過(guò)程中的鉆壓，使用扭力沖擊器后鉆壓可提高2～4倍；同時(shí)，扭力沖擊器能有效消除鉆井過(guò)程中PDC鉆頭無(wú)序的粘滑振動(dòng)，從而能夠在大幅提高機(jī)械鉆速的同時(shí)，延長(zhǎng)鉆頭壽命，成倍增加單只鉆頭的進(jìn)尺。

4 結(jié)論

1） 扭力沖擊鉆井是一項(xiàng)極具創(chuàng)新的技術(shù)，該技術(shù)使用PDC鉆頭以沖擊和剪切作用共同破巖，改變了PDC鉆頭傳統(tǒng)的破巖方式，大幅提高了我國(guó)西部地區(qū)難鉆地層的機(jī)械鉆速，極大地縮短了建井周期。

2） 在鉆井過(guò)程中，完全依靠鉆井液帶動(dòng)工具產(chǎn)生低幅高頻的脈沖扭矩，但鉆井液中的有害固相對(duì)工具具有較強(qiáng)的沖蝕破壞，直接影響了工具的使用壽命。

3） 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用證明，扭力沖擊鉆井工藝是提高深部硬地層鉆井速度的有效途徑。扭力沖擊工具的可靠性高，綜合成本較低，使用簡(jiǎn)單，具有廣泛的應(yīng)用前景。

4） 建議進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)扭力沖擊鉆井配套PDC鉆頭的研究，以達(dá)到提高機(jī)械鉆速和延長(zhǎng)鉆頭壽命的目的；加強(qiáng)扭力沖擊工具內(nèi)表面的處理，增加工具抗鉆井液沖蝕能力，延長(zhǎng)工具壽命；開(kāi)展扭力沖擊鉆井破巖機(jī)理的研究，優(yōu)化扭力沖擊器技術(shù)參數(shù)，同時(shí)為鉆頭選型及現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)提供理論依據(jù)。

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